Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu thiết kế và chế tạ- 123docz.net

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là tập trung cho ra ly sinh tố cách tự động hoàn toàn, tự chọn và giám sát quá trình thông qua màn hình HMI. Khay chứa nguyên liệu và ngăn đá đủ lạnh cho thời gian sử dụng trong một ngày.

1.3.6. Phương pháp nghiên cứu

Xác định vấn đề nghiên cứu từ tính cấp thiết và ý nghĩa của đề tài.

Nghiên cứu tổng quan trong và ngoài nước cũng như khảo sát tìm ra phương án nghiên cứu và thiết kế máy. Xây dựng phương án thiết kế, thiết kế sơ bộ dựa trên các giới hạn đề tài các vấn đề liên quan.

Thiết kế máy nhằm đáp ứng các mục tiêu và yêu cầu đặt ra. Chế tạo máy theo thiết kế, đánh giá thực nghiệm và thử nghiệm thực tế.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ THIẾT KẾ 2.1. Số liệu ban đầu

2.1.1. Công thức pha chế sinh tố

Như đã trình bày ở Mục 1.1 các nguyên liệu để tạo nên một ly sinh tố rất đa dạng,

ngoài đường, sữa, đá ra thì tùy vào loại trái cây mà các thành phần phụ sẽ khác nhau và đa dạng hơn như: chanh, mật ong, topping, các loại hạt, thạch, kem, nước ép, … Ở đề tài này nhóm chọn 4 loại thành phần là nguyên liệu chính của ly sinh tố gồm: trái cây, đá, sữa và đường.

Sau khi đã khảo sát người dùng, tìm hiểu trên mạng xã hội và đặc biệt là quyển

sách “Bí quyết pha chế sinh tố và nước ép trái cây – Fruit & Vegetable Juices

The Most Complete & Practical Book – NXB Văn Hóa Thông Tin” [8]nhóm đã rút ra được tỉ lệ thành phần giữa các nguyên liệu để tạo ra một ly sinh tố thơm ngon, bổ dưỡng tương đối phù hợp với các loại trái cây và cho một người uống như sau: Với 400ml sinh tố thì gồm có 194ml (tương đương 200g) trái cây [9], 156ml đá và 50ml sữa, đường (tùy theo khẩu vị mỗi người).

2.1.2. Loại trái cây và ly

Nhu cầu của người tiêu dùng hiện nay là một ly sinh tố đảm bảo các tiêu chuẩn về an toàn vệ sinh thực phẩm (trái cây tươi, hợp vệ sinh, đường và sữa đảm bảo chất lượng). Ly sinh tố đảm bảo dinh dưỡng, tỉ lệ về thành phần nguyên liệu khoa học, phù hợp cho sức khỏe người dùng. Theo xu hướng các sản phẩm ngày càng được tự động hóa để góp phần tạo sự tiện lợi và rút ngắn thời gian trong cuộc sống. Vì vậy việc chế tạo ra máy chế biến sinh tố hoàn toàn tự động, đồng bộ và liên kết các khâu là vấn đề cần thiết. Trong đó khâu cấp liệu đặc biệt là cấp trái cây là khâu quan trọng nhất. Vì trái cây mềm, ẩm và nhiều loại khác nhau nên việc cấp và định lượng là hết sự quan trọng.

Khác với nước ép, sinh tố là hỗn hợp xay nhuyễn cả phần xác của rau, hoa quả. Để xay sinh tố, trước tiên loại hoa quả cần phải làm sạch, thái nhỏ hạt lựu để dễ dàng trong quá trình xay và nâng cao chất lượng sinh tố. Các loại trái cây sử dụng để xay sinh tố như là: xoài, dâu, bơ, chuối, thanh long, đu đủ, cà rốt, sa pô chê.

Hình 2.1: Trái cây thái hạt lựu

Theo thực nghiệm nhóm đã nghiên cứu theo sự phổ biến của người tiêu dùng Việt Nam kích cỡ các phần trái cây sau khi thái hạt lựu thì đa số sẽ có dạng khối hình hộp với kích thước tương đối 15x15x15 (mm). Để cho ra ly sinh tố ngon, với kích thước

ly như Hình 2.2 (Ly nhựa Plastic HUU PHONG dung tích 500ml) thì lượng trái cây

được cấp phải có tỉ lệ nhất định sao cho phù hợp với thể tích ly cùng với các nguyên liệu khác.

Hình 2.2: Thông số kích thước ly [10]

2.2. Phương án thiết kế

Xuất phát từ những yêu cầu trên, nhóm đã nghiên cứu và tìm ra hai phương án để thiết kế như sau: khay chứa trái cây đặt ở dưới và trái cây được cấp từ dưới lên, khay trái cây đặt ở trên và trái cây được cấp từ trên xuống.

Do đối tượng là trái cây được thái hạt lựu, đặc tính trái cây thì có loại mềm, ẩm không như các loại bột hay các đối tượng dạng rắn, cứng, to nên nếu lấy trái cây từ dưới lên thì dễ làm nhuyễn trái cây, lượng trái cây xót lại trong khay khó kiểm soát, cơ cấu hoạt động phức tạp, khó chế tạo và tốn chi phí cao.

Nhóm nhận thấy đặt khay trái cây ở trên, trái cây được cấp từ trên xuống với trọng lực trái đất thì trái cây sẽ rơi tự do khi cấp sẽ hạn chế tình trạng dập nhuyễn, lượng trái cây tồn lại dễ dàng kiểm soát cũng như dễ dàng cấp liệu, cơ cấu đơn giản, dễ dàng chế tạo và giảm chi phí. Đồng thời một yếu tố rất khoa học khi trái trây được cấp từ trên xuống đó là sẽ có nhiều cơ cấu định lượng để có nhiều phương án thiết kế.

Để có thể cấp trái cây thái hạt lựu và định lượng được thì nhóm cũng đã nghiên cứu và cuối cùng đưa ra được ba phương án giải quyết vấn đề trên đó là: Định lượng theo khuôn cố định, định lượng trục vít và định lượng theo cơ cấu 2 xi lanh.

Trái cây được thái hạt lựu, đựng trong các khay và sẽ cấp vào phễu trung gian bởi cơ cấu định lượng có nhiệm vụ đo lường chính xác lượng trái cây theo một tỉ lệ phù hợp.

Phương án 1: Định lượng theo khuôn cố định

Nhóm thiết kế khuôn là một dạng ống trụ, một nửa ống trụ được cắt và bên trong có khoét lõm một khoảng - chính khoảng này là lượng trái cây được định lương phù hợp với tỉ lệ của ly và lưỡi cắt được gá ở mặt bên cùng chiều quay của ống trụ. Khay chứa trái cây đặt phía trên khuôn định lượng. Sau mỗi vòng quay thì trái cây sẽ được lấy đúng với thể tích của khuôn.

Hình 2.4: Mô hình thiết kế 3D Phương án 1

Phương án 2: Định lượng theo trục vít

Nhóm thiết kế khay trái cây có hình dạng như Hình 2.6, phía dưới của khay chứa

trái cây lệch với ống trụ đứng một khoảng cố định. Trục vít nằm trong ống trụ ngang. Với số vòng quay cụ thể trục vít sẽ cấp chính xác một lượng trái cây nhất định.

Hình 2.6: Mô hình thiết kế 3D Phương án 2

Phương án 3: Định lượng theo cơ cấu hai xi lanh

Nhóm thiết kế khay trái cây đứng và ở phần dưới khay có hai xi lanh được đặt

cùng phương. Ban đầu xi lanh 1 và xi lanh 2 ở vị trí như Hình 2.8, khi hoạt động xi

lanh 1 sẽ đi ra ngăn không cho trái cây rơi xuống, phần thể tích giữa 2 xi lanh đúng với lượng trái cây mà nhóm đã ước lượng vừa ly sinh tố. Sau đó xi lanh 2 đi về làm cho trái cây rơi xuống khay tổng. Và xi lanh 2 và 1 cùng đi ra lại cứ như thế tiếp tục chu trình mới.

Hình 2.7: Nguyên lý hoạt động Phương án 3

Bảng 2.1: So sánh 3 cơ cấu cấp trái cây

Ưu điểm Nhược điểm

Phương án 1  Lấy trái cây dễ dàng

 Cơ cấu ổn định

 Số lượng chi tiết

nhiều

 Khó chế tạo

 Tháo lắp khó khăn

Phương án 2  Diện tích nhỏ có thể làm nhiều module

 Trái cây dễ bị

nghẽn

 Khó chế tạo

 Tháo lắp khó khăn

Phương án 3

 Cơ cấu đơn giản

 Dễ chế tạo

 Cấp trái cây ổn

định

 Tính thẩm mỹ thấp

Dựa vào Bảng 2.1 và kinh nghiệm thực tế đã từng chế tạo thử cả 3 phương án

nhóm nhận thấy phương án 3 là phương án khả thi nhất. Với cơ cấu đơn giản thời gian gia công phương án 3 ít nhất và việc tháo lắp dễ dàng hơn nhiều so với 2 phương án còn lại. Đồng thời hiệu quả làm việc thì rất ổn định.

Và vì trái cây được thái theo hạt lựu nhỏ, mềm. Để tối ưu trong khi đo lường được chính xác và lượng trái cây thoát ra không bị dính lại nhóm quyết định chọn phương pháp cấp trái cây theo phương án 3 có thể điều chỉnh được lượng trái cây linh hoạt hơn bằng cách tăng số lần hoạt động của chu kỳ 2 xi lanh, không như phương án 1 phải thiết kế khuôn cố định không linh hoạt trong việc điều chỉnh, hoặc như phương án 2 thì trục vít rất dễ gây dính trái cây. Với phương án 1 cần phải có lưỡi cắt để định lượng do đó lưỡi cắt phải trong trình trạng tốt nhất, sau một thời gian sử dụng lưỡi cắt phải được bảo dưỡng và mài bén. Còn phương án 2 thì trái cây dễ bị nghiền nhuyễn không thẩm mỹ.

2.3. Thiết kế và bố trí quy trình hoạt động của máy

Nhóm đã nghiên cứu và tìm ra được hai phương án để thiết kế quy trình hoạt động như sau: Thiết kế, bố trí máy theo phương ngang và theo phương đứng.

Theo phương ngang, nhóm thiết kế quy trình hoạt động như sau: các bộ phận cấp nguyên liệu (4 khay trái cây, sữa, đường, đá) được bố trí theo hình tròn, mâm xoay chứa ly xoay vòng để lấy từng loại nguyên liệu, sau đó xoay đến vị trí để xay và đóng nắp. Theo quy trình này kích cỡ máy to lên nhưng thấp gây mất cân đối. Bên cạnh đó theo xu hướng thị trường và khảo sát các máy tự động hiện nay thì việc bố trí kích thước máy theo phương ngang hoàn toàn không hợp lý. Gây khó khăn trong việc vận chuyển và chiếm diện tích trong quá trình lắp đặt. Do đó nhóm lựa chọn thiết kế, bố trí máy theo phương đứng.

Nhóm nhận thấy thiết kế theo phương đứng giúp cải thiện về diện tích và hiệu suất hoạt động được tối ưu. Việc đặt máy theo phương đứng sẽ thuận tiện hơn, việc tương tác giữa người dùng và máy khoa học hơn. Ngoài ra việc thiết kế máy theo phương đứng sẽ tối ưu được không gian của máy: các khay cấp nguyên liệu được đặt phía trên cùng, dưới đó là bộ phận chứa nguyên liệu và xay. Như vậy sẽ tạo ra được không gian tối ưu nhất.

Phần chứa nguyên liệu nằm trên cùng để dễ dàng cung cấp, từng loại nguyên liệu được chứa khay riêng và đều được hoạt động dựa trên nguyên lý định lượng.

Để đảm bảo được chất lượng sinh tố tuyệt đối, đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm và không làm thoát sinh tố ra ngoài, đồng thời giảm thời gian làm việc và hiệu suất cao nên nhóm quyết định chọn cối xay bên ngoài, được gá trên cơ cấu định vị.

Do thời gian bảo quản lên đến 6h/ngày, đá không tan và nguyên liệu cần được giữ lạnh để đảm bảo độ tươi ngon. Đặc biệt là về kích thước và hiệu suất cần được ổn định. Vì vậy nhóm dùng nguyên lý của làm mát của tủ lạnh. Để đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm, các cơ cấu phải được rửa sạch sau mỗi chu trình hoạt động. Do đó nhóm dùng các vòi bơm áp suất để vệ sinh. Sau cùng là cơ cấu cấp ly dựa trên thực nghiệm, tách từng ly, rót sinh tố vào ly và đưa ly ra ngoài.

Như vậy nhóm lựa chọn hướng thiết kế máy làm sinh tố tự động theo phương đứng và sử dụng nguyên lý định lượng để cấp phôi, cối xay có sẵn để xay và gá lên cơ cấu định vị, rót sinh tố vào ly, ly sẽ được đưa ra cửa ở cuối quy trình, sau đó đến khâu vệ sinh thiết bị và toàn bộ ngăn cấp liệu được giữ lạnh theo nguyên lý làm mát của tủ lạnh. Sau đây lựa chọn phương án nguyên lý hoạt động chính của quy trình.

Trong quá trình tìm hiểu, nghiên cứu đề tài, đề ra phương án để hoạt động quy trình làm sinh tố, nhóm đã đưa ra được hai phương án quy trình chuyển động lấy nguyên liệu: Theo không gian phẳng 2 chiều x-y kết hợp tay gấp (phương án 1) và cố định quy trình lấy nguyên liệu (phương án 2). Nhóm sẽ đi tìm hiểu từng phương án một sau đó chọn phương án tối ưu nhất để chế tạo máy.

Phương án 1: Quy trình lấy nguyên liệu di chuyển theo không gian 2 chiều x-y

Nguyên lí làm việc: Ban đầu bộ phận cấp ly sẽ cấp ly cho tay gắp, từ vị trí này tay gắp sẽ di chuyển theo phương x đi qua từng bộ phận cấp nguyên liệu (trái cây, đường, sữa, đá). Tới vị trí cuối cùng để xay. Sau khi xay xong tay gấp sẽ thả ly vào vị trí dán ly, cấp ống hút và cuối cùng ly được đưa ra ngoài tới tay người tiêu dùng.

Phương án này có những ưu điểm và nhược điểm như Bảng 2.2.

Bảng 2.2: Ưu điểm và nhược điểm của phương án 1

Ưu điểm

• Quá trình lấy nguyên liệu chính xác từng vị trí.

• Người dùng dễ dàng quan sát quá trình hoạt động, tạo sự tin

tưởng.

Nhược điểm

• Nhiều chuyển động, gây khó khăn trong việc gá đặt và điều

khiển cũng như bảo trì máy.

• Máy chiếm nhiều không gian theo phương ngang gây mất

cân đối và do quy trình không hoạt động đồng loạt nên sinh ra nhiều thời gian chết.

• Tốn nhiều chi phí và thời gian cho việc hoàn thiện máy theo

Phương án 2: Cố định quy trình lấy nguyên liệu

Hình 2.10: Sơ đồ bố trí máy theo phương án 2

Nguyên lý làm việc: Bộ phận cấp ly sẽ cấp ly vào vị trí máy đóng nắp được cố định, sau đó các nguyên liệu được chọn sẽ đồng loạt rơi vào phễu trung gian dẫn nguyên liệu vào máy xay. Sau khi xay xong, sinh tố sẽ được rót vào ly và đưa ra cửa.

Bảng 2.3: Ưu điểm và nhược điểm của phương án 2

Ưu điểm

 Công suất hoạt động cao hơn

 Kích thước máy nhỏ gọn hơn phương án 1

 Dễ chế tạo, đơn giản hóa quá trình gia công

 Dễ điều khiển, bảo trì

 Tối ưu được chi phí và thời gian gia công

Nhược điểm

• Do dùng khí nén để tối ưu kích thước và cơ cấu chuyển

động nên cần không gian để bố trí máy nén khí

• Gây tiếng ồn

Căn cứ vào những ưu và nhược điểm của cả hai phương án, nhóm đã so sánh, tìm hiểu và đưa ra một số quan điểm như sau:

 Để đáp ứng đúng nhu cầu thực tế của người tiêu dùng và mong muốn của nhóm,

máy phải đáp ứng nhanh về mặt thời gian quy trình hoạt động ra sản phẩm, tiêu chí kinh tế và vệ sinh an toàn thực phẩm.

 Nếu chọn phương án 1 máy hoạt động với mức độ rủi ro cao do sử dụng nhiều

bước chuyển động phức tạp, chi phí chế tạo khá cao và kén đặt ở nhiều vị trí.

2.4. Nguyên lí hoạt động của máy

Dựa vào lưu đồ Hình 2.11, máy chế biến sinh tố tự động có các cụm cơ cấu chính

như sau:

• Cụm cơ cấu cấp nguyên liệu:cung cấp, dẫn hướng nguyên liệu vào cối xay

• Cụm cơ cấu xay:Xay và rót sinh tố vào ly

• Cụm cơ cấu đẩy ly ra: Cấp ly, định vị ly để rót sinh tố vào và đưa ra cửa

Toàn bộ quá trình hoạt động của máy sẽ được điều khiển thông qua màn hình HMI. Bộ điều khiển bao gồm HMI, PLC và các bộ phận nhỏ khác.

Theo Hình 2.11 nguyên lí hoạt động của máy như sau: Sau khi nhận lệnh từ màn

hình HMI, các nguyên liệu (trái cây, đường, sữa, đá) được người dùng chọn sẽ đồng thời rơi vào phễu trung gian với một lượng phù hợp tùy theo tùy chọn của người dùng. Sau đó được dẫn hướng vào cối xay. Cối xay sẽ được kích hoạt sau một khoảng thời gian tương ứng với từng loại trái cây. Lúc này ly sẽ được cấp và kéo đến vị trí rót,